一種實現(xiàn)多通道無壓縮IP流PTP時鐘精準校時分析的方法

一、PTP概述

PTP（Precision Time Protocol，精確時間協(xié)議）是一種時間同步的協(xié)議，由IEEE 1588-2008定義，通過在主時鐘和從時鐘之間交換信息來工作，用于精確同步分布式網(wǎng)絡(luò)通信中各個節(jié)點的實時時鐘，將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備時鐘與主控機的主時鐘進行同步，提供建立同步時間小于1μs的運用。相比NTP（Network Time Protocol，網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議），PTP能夠滿足更高精度的時間同步要求，相比GPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)），PTP具備更低的建設(shè)和維護成本。

SMPTE ST 2059-2標準基于IEEE 1588標準，定義了在專業(yè)廣播環(huán)境下的時間和頻率同步的精確時間協(xié)議，并且定義了視音頻系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)管理報文的基本格式。根據(jù)規(guī)范描述，PTP精確時間同步精確到納秒級，可以提供涵蓋模擬視頻、數(shù)字視頻和AES音頻的各種同步。

廣電制播系統(tǒng)對PTP時鐘鎖定穩(wěn)定度要求比較高，跳變或者偏移都可以引起終端設(shè)備信號輸出不穩(wěn)定或者偏差，為了保證系統(tǒng)PTP穩(wěn)定以及維護需求，全系統(tǒng)PTP實時精準分析監(jiān)測也成為IP制播網(wǎng)系統(tǒng)監(jiān)控的重要組成部分。

1. PTP與NTP

NTP協(xié)議（Network Time
Protocol）是一種目前被廣泛應用的網(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)議，最高可以達到毫秒級的同步精度。NTP協(xié)議基于UDP協(xié)議以客戶機/服務(wù)器方式工作，由服務(wù)器提供準確穩(wěn)定的時間，客戶端通過發(fā)送和接收NTP報文，計算時間偏差，校準自己的時間。NTP客戶端和服務(wù)器的通信包括兩個數(shù)據(jù)報文：客戶端的時間請求報文和服務(wù)器的響應報文。NTP協(xié)議報文中包含4個64bit時間戳（Timestamp），根據(jù)時間戳可以計算出時間偏差和網(wǎng)絡(luò)延遲。

PTP協(xié)議也是基于UDP協(xié)議的應用層協(xié)議，其數(shù)據(jù)報文經(jīng)過TCP/IP協(xié)議棧的層層封裝，最終通過網(wǎng)絡(luò)傳輸進行主從時鐘之間的交互，完成主從時鐘的同步。PTP技術(shù)可以實現(xiàn)高精度時間同步的關(guān)鍵原因是要求PTP設(shè)備支持基于硬件打時間戳。同步消息在通過PTP設(shè)備數(shù)據(jù)鏈路層（MAC）和物理層（PHY）之間的媒體獨立接口（MII）時，會在PTP設(shè)備的本地時鐘上觸發(fā)一個時間戳，如圖1所示。

NTP協(xié)議和PTP協(xié)議都是基于UDP協(xié)議位于TCP/IP協(xié)議棧的應用層上，PTP協(xié)議不同于NTP協(xié)議在于PTP報文的數(shù)據(jù)包時間戳是在MAC記錄的，而NTP協(xié)議是在應用層記錄的。相比于NTP協(xié)議，PTP的時間戳是位于數(shù)據(jù)鏈路層（MAC）和物理層（PHY）之間與介質(zhì)無關(guān)的接口中，這消除了操作系統(tǒng)和其他軟件無法預測的緩慢響應，因此基于硬件的時間戳不受軟件處理時延、流量的影響，從而可以實現(xiàn)更高精度的時間同步。

另外PTP協(xié)議的時間校準可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況和終端的時間漂移情況，使用一定的數(shù)據(jù)處理算法，隔一段時間后才進行一次測量，從而減少了網(wǎng)絡(luò)流量和帶寬使用，相比NTP協(xié)議來說減輕了網(wǎng)絡(luò)終端的處理負擔。

2. PTP與傳統(tǒng)B.B

在技術(shù)原理和傳輸介質(zhì)上，傳統(tǒng)基帶B.B同步是模擬電平在基帶中傳輸，在一個SDI系統(tǒng)中，公共校時頻率可通過物理層直接用于所有設(shè)備，只要拓撲結(jié)構(gòu)沒有改變，相位關(guān)系就保持不變。而PTP使用以太網(wǎng)作為物理介質(zhì)，默認情況下以太網(wǎng)是異步的，只有在兩個相鄰設(shè)備之間而不是在系統(tǒng)全局范圍內(nèi)建立一個共同頻率，因此固有頻率傳輸不可行，我們無法通過物理層恢復頻率傳輸，因此必須使用基于數(shù)據(jù)包的方法分配時間和頻率。

隨著IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的能力和容量穩(wěn)步提高，使用SMPTE ST 2022-6等現(xiàn)有標準雖然可以通過IP交換和路由技術(shù)傳輸和交換視頻、音頻和元數(shù)據(jù)，但業(yè)界希望可以分別切換不同的基本元素，因此SMPTE提出采用SMPTE ST 2110-20、SMPTE ST 2110-30以及SMPTE ST 2110-40來分別傳輸視頻、音頻以及輔助數(shù)據(jù)。

這一系列SMPTE標準建立在VSF TR-03和TR-04以及AES67的工作基礎(chǔ)上，采用實時、基于RTP協(xié)議傳輸，通過SMPTE ST 2110-10定義一個定時系統(tǒng)，用于互連各種視、音頻以及輔助數(shù)據(jù)基本流之間的時序關(guān)系，因此PTP時鐘信號與視音頻業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流混合在一起于帶內(nèi)傳輸，而傳統(tǒng)B.B同步信號是獨立于視音頻制作系統(tǒng)外的單獨系統(tǒng)，參考時鐘在自己專有的外部同步系統(tǒng)中傳輸不與業(yè)務(wù)系統(tǒng)混合。

基于以上原因，在部署多系統(tǒng)統(tǒng)一校時方式時，傳統(tǒng)SDI多系統(tǒng)協(xié)同工作的時鐘可以由總控來統(tǒng)一分配，而多IP系統(tǒng)協(xié)同工作的PTP校時目前則有多域、單域不同的部署方案。

3. PTP與SMPTE ST 2059

IEEE Std 1588-2008引入了PTP配置文件的概念，第19.3.1.1款“概述”中描述了配置文件的目的：“PTP配置文件的目的是允許組織指定PTP屬性值和可選功能的特定選擇，當使用相同的傳輸協(xié)議時，這些屬性值和可選功能可以相互作用，并實現(xiàn)滿足特定應用要求的性能?！?021年最新發(fā)布的SMPTE ST 2059-1、2059-2標準以IEEE-1588協(xié)議為基礎(chǔ)，并衍生到廣電領(lǐng)域進行應用。

SMPTE ST 2059-1:2021：Generation and Alignment of Interface Signals to the SMPTE Epoch：定義了一個時間點即SMPTE歷元， 用于實時信號的校準，指定自SMPTE紀元以來信號與時間的持續(xù)對齊的公式，以及指定SMPTE ST 12-1時間地址值和SMPTE ST 309日期值計算的公式。該標準使用精確時間分布、歷元定義（“SMPTE歷元”）以及信號與該歷元的關(guān)系，設(shè)備可以生成用于鎖定傳統(tǒng)設(shè)備的傳統(tǒng)參考信號，或者可以在其接口上從內(nèi)部導出視頻和音頻本質(zhì)信號的定時。

SMPTE ST 2059-2:2021：SMPTE Profile for Use of IEEE-1588 Precision Time Protocol in Professional Broadcast Applications：與SMPTE ST 2059-1一起使用，基于IEEE-1588-2協(xié)議，定義了專業(yè)廣播環(huán)境中時間和頻率同步的PTP配置文件。此配置文件的設(shè)計目的如下：

◆允許時鐘快速、準確地同步，以支持專業(yè)的IP媒體應用；

◆傳輸音頻/視頻信號同步和時間標記所需的同步元數(shù)據(jù)（SM）。

PTP配置文件指定以下主要參數(shù)以及參數(shù)值，這些參數(shù)是專業(yè)媒體網(wǎng)絡(luò)PTP校時系統(tǒng)工作基礎(chǔ)，也是PTP監(jiān)測所需要關(guān)注的參數(shù)。

4. PTP與RTP

IP專業(yè)媒體系統(tǒng)中視音頻數(shù)據(jù)包傳輸用的RTP/RTCP協(xié)議是使用時間戳來攜帶時鐘同步信息。SMPTE ST 2110-10定義了一個基于RTP的可擴展系統(tǒng)，該系統(tǒng)以指定其時序關(guān)系的方式引用公共參考時鐘，規(guī)定了所有基本流的系統(tǒng)定時模型和通用要求。

RTP報文內(nèi)容包括待傳數(shù)據(jù)的報文頭和報文負載，報文數(shù)據(jù)頭包括序列號、時間戳和傳輸監(jiān)視等信息，負載就是視音頻數(shù)據(jù)流。報文頭會專門提供固定字節(jié)位用于時間戳的攜帶，這樣接收設(shè)備就可以通過時間戳解讀出負載數(shù)據(jù)的同步時間用于數(shù)據(jù)重組。我們使用端口鏡像的方式，在實際IP系統(tǒng)中將視音頻流量轉(zhuǎn)到觀測口，使用專業(yè)儀器對觀測口的數(shù)據(jù)進行抓包，結(jié)果可以看到RTP數(shù)據(jù)包的基本信息：RTP協(xié)議建立在UDP協(xié)議基礎(chǔ)之上。

◆IP頭和UDP頭信息可獲取到源地址、目的地址（組播地址）、源端口、目的端口等信息；

◆RTP層數(shù)據(jù)可以獲取到RTP相關(guān)的信息，如：payload、SSRC、SN包序列號、RTP時間戳等。

基于以上PTP校時原理，我們可以采用通用IT服務(wù)器平臺實現(xiàn)專業(yè)媒體網(wǎng)絡(luò)下IP流時鐘同步精度分析和監(jiān)測，以純軟件形態(tài)部署在通用IT環(huán)境下，實現(xiàn)對基于ST 2110、ST 2022-6等多種專業(yè)媒體網(wǎng)絡(luò)IP流的時鐘鎖定精度狀態(tài)進行實時監(jiān)測和分析。

二、PTP校時分析服務(wù)器

超高清媒體節(jié)點設(shè)備在發(fā)送數(shù)據(jù)包間隔為微秒級，但實際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中IP數(shù)據(jù)包存在抖動和延時，不能直接使用接收到的PTP時間戳作為發(fā)送定時依據(jù)，必須通過校時鎖定本地的高穩(wěn)時鐘，利用這個與PTP同步鎖相的高穩(wěn)時鐘，才能同時達到精度高、穩(wěn)定兩個基本要求。

IEEE-802.3標準定義了MII（Media Independent Interface，介質(zhì)無關(guān)接口，或稱為媒體獨立接口），用于描述以太網(wǎng)收發(fā)器與網(wǎng)絡(luò)控制器之間的接口，用于將不同類型的PHY與相同網(wǎng)絡(luò)控制器（MAC）相連接的通用總線。網(wǎng)絡(luò)控制器可以用同樣的硬件接口與任何PHY進行連接，它包括一個數(shù)據(jù)接口，以及一個MAC和PHY之間的管理接口。數(shù)據(jù)接口包括分別用于發(fā)送器和接收器的兩條獨立信道，每條信道都有自己的數(shù)據(jù)、時鐘和控制信號；管理接口是個雙信號接口，一個是時鐘信號，另一個是數(shù)據(jù)信號，通過管理接口，上層能監(jiān)視和控制PHY。

受計算機本地時鐘晶振和軟件時鐘精度的影響，目前操作系統(tǒng)提供的本地時鐘的精度只能達到10ms左右，遠不能滿足同步系統(tǒng)的需要，因此需要重新構(gòu)建高精度的本地時鐘，并能夠使其精度保持在較高的范圍內(nèi)。在服務(wù)器中穩(wěn)定時鐘源是CPU的石英晶體諧振器（Quartz crystal oscillator），它能夠產(chǎn)生中央處理器（CPU）執(zhí)行指令所必需的時鐘頻率信號。為了減少操作系統(tǒng)的影響，修改網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動，通過MII接口時間戳使用獨立通道進行報文的發(fā)送和接收，網(wǎng)絡(luò)I/O使用阻塞Socket，在一個數(shù)據(jù)報文發(fā)送完畢之后，才返回做其他事情或發(fā)送下一個數(shù)據(jù)報文，這樣就保證了報文的確認接收和發(fā)送，數(shù)據(jù)報文有序的發(fā)送和接收。

如圖3所示，TP校時分析服務(wù)器硬件平臺配置光纖網(wǎng)卡，通過光纖網(wǎng)卡接入IP數(shù)據(jù)送給服務(wù)器IP解封包模塊；服務(wù)器基于ST 2059協(xié)議從IP解封包處理模塊獲取PTP時鐘GM母鐘狀態(tài)。

由于服務(wù)器操作系統(tǒng)一般使用搶占式調(diào)度機制，使得進程被調(diào)度的時間不可預測，造成不確定的延遲，因此設(shè)計服務(wù)器性能優(yōu)化模塊來提高同步進程和同步線程的優(yōu)先級；利用高精度時間定時器，獲取當前時間值，循環(huán)等待，直到系統(tǒng)時間刷新改變，記下此時定時器的計數(shù)值，根據(jù)基準時間和該時刻的計數(shù)值，可以計算之后任意時刻的準確時間。

PTP時基處理完成時鐘校正算法，由數(shù)據(jù)處理算法得到時間偏差，由高精度本地時鐘獲得準確的本地時間，利用時鐘校正算法可以進行穩(wěn)定可靠的時鐘校正。Windows和Unix等系統(tǒng)都提供了相位校正和頻率校正的API，內(nèi)部工作原理如下：

◆誤差計算：根據(jù)解析接收IP數(shù)據(jù)包得到時間戳（Timestamp），可計算出上一次發(fā)包到這一次發(fā)包的時間間隔。另外在這段時間內(nèi)拿本地時鐘進行計數(shù)，與上一步計算出的時間間隔進行比較，可得到本地時鐘相比GM時鐘存在的誤差；

◆本地時鐘調(diào)整：本地時鐘相比GM時鐘存在的誤差是逐步消除的，通過濾波算法去抖動。針對相位調(diào)節(jié)和頻率調(diào)節(jié)的優(yōu)缺點，提出相位調(diào)節(jié)和頻率調(diào)節(jié)相結(jié)合的時鐘校正模式，不同的場合使用不同的調(diào)節(jié)方式，初次同步或開機同步時，以及時間偏差較大時(如＞100ms)，使用相位調(diào)節(jié)校正方式，直接修正本地時鐘，將其校正到一定精度范圍內(nèi)。時間偏差較小時，使用頻率調(diào)節(jié)校正，緩慢地調(diào)節(jié)時鐘頻率，本地時鐘逐漸趨于準確，防止出現(xiàn)時鐘回退和時鐘大幅改變的現(xiàn)象。經(jīng)過不斷自我調(diào)整后，逐步達到鎖定狀態(tài)，實現(xiàn)PTP同步精度范圍在1μs內(nèi)。得到的時鐘信號與GM時鐘基本是同步的。

PTP校時分析服務(wù)器提供PTP校時精度調(diào)整界面，適配不同的IP制播系統(tǒng)。該校時分析服務(wù)以純軟件形態(tài)部署在通用IT環(huán)境下，完全擺脫專用硬件；實現(xiàn)多通道IP流實時分析監(jiān)測，成本降低，安裝部署快捷，維護方便。

三、PTP校時分析及監(jiān)測

1. 多種PTP數(shù)據(jù)獲取研究

PTP校時分析服務(wù)器鎖定后會以當前鎖定的PTP時間為基準，對發(fā)送端發(fā)送的IP流量進行數(shù)據(jù)包頭分析，得到數(shù)據(jù)包基礎(chǔ)信息。

◆源地址：發(fā)流設(shè)備的源IP地址；

◆源端口：發(fā)流設(shè)備的源端口；

◆目的地址：發(fā)送流量的目標地址，一般是一個組播地址；

◆目的端口：發(fā)送流量的目的端口；

◆Sequence Number：數(shù)據(jù)包序列號；

◆M：mark標記；

◆F：場序標記；

◆Time stamp：RTP時間戳。

PTP校時分析服務(wù)器收到以上數(shù)據(jù)后，將本地時間與RTP時間進行實時對比，并且將對比結(jié)果反饋給上層。通過上層展示頁面，用戶將看到IP數(shù)據(jù)流的時鐘精度，也就是IP流與PTP的時鐘偏差。

基于IP系統(tǒng)設(shè)備的復雜性，校時分析服務(wù)器具備多種直接獲取設(shè)備PTP 數(shù)據(jù)的方法。

◆一些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備PTP數(shù)據(jù)可以通過NetConf、SNMP獲取；

◆某些不支持這些通用協(xié)議設(shè)備，可以通過SSH協(xié)議先獲取到數(shù)據(jù)，然后再把有用數(shù)據(jù)通過正則表達式轉(zhuǎn)成JSON標準的數(shù)據(jù)，通過API接口上報到監(jiān)測服務(wù)代理，通過這個方法可以獲取到系統(tǒng)內(nèi)所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的PTP數(shù)據(jù)；

◆通過get指令可以獲取一些網(wǎng)絡(luò)控制器的PTP數(shù)據(jù)。

2. PTP分析參數(shù)確定

PTP狀態(tài)監(jiān)測展現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上的PTP信息。從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上讀取系統(tǒng)中的PTP信息，內(nèi)容包括：PTP信息（鎖定狀態(tài)、Grandmaster ID、Clock ID、PTP mode、step模式）、PTP clock time（當前PTP系統(tǒng)時間、最新同步時間）、PTP端口狀態(tài)（slave端口、master端口及數(shù)量、禁用PTP端口、PTP domain及優(yōu)先級信息。

四、總結(jié)

基于本地穩(wěn)定時鐘，PTP校時分析服務(wù)器連接到管理交換機，基于以上獲取到的PTP數(shù)據(jù)，可以構(gòu)建系統(tǒng)全局PTP分發(fā)拓撲，圖形化實時呈現(xiàn)PTP分發(fā)狀態(tài)，直觀呈現(xiàn)當前系統(tǒng)PTP時鐘以及各個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的PTP狀態(tài)，實現(xiàn)整網(wǎng)PTP狀態(tài)監(jiān)測。

PTP分發(fā)拓撲界面可查看如下內(nèi)容：

◆實時顯示PTP的分發(fā)狀態(tài)及分發(fā)流向，可查看母鐘、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（BC）和終端的PTP狀態(tài)信息；

◆實時展現(xiàn)母鐘倒換、分發(fā)路徑變化等信息，實時展現(xiàn)母鐘、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（BC）、終端的PTP報警；

◆實時展現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、母鐘、終端的PTP信息。

軟件通過PTP拓撲圖以及設(shè)備PTP參數(shù)表來直觀呈現(xiàn)當前系統(tǒng)PTP時鐘以及各個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的PTP狀態(tài)，在圖上顯示GM母鐘、交換機和所有節(jié)點的狀態(tài)信息。進一步，通過建立GM母鐘、網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備和終端設(shè)備三級PTP展現(xiàn)拓撲圖，不僅實現(xiàn)全局PTP信息及各設(shè)備校時狀態(tài)的展現(xiàn)，動態(tài)查看系統(tǒng)整體PTP狀態(tài)，以及局部PTP問題，還可以實現(xiàn)監(jiān)控每個終端設(shè)備校時方向是否均指向同一個系統(tǒng)母鐘，解決現(xiàn)有方案只能查看局部網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備和終端設(shè)備信息的問題。